A Heptafurcated Optical-Fiber Bundle for Simultaneous Distance, Tilt Magnitude and Tilt-Axis Sensing
यह शोध पत्र एक नवीन हेप्टाफर्केटेड (heptafurcated) ऑप्टिकल-फाइबर सेंसर प्रस्तुत करता है जो छह-मापन पुनर्निर्माण एल्गोरिदम के माध्यम से लक्ष्य दूरी, झुकाव परिमाण और झुकाव-अक्ष अज़ीमुथ को एक साथ मापने में सक्षम है, जो उच्च सटीकता प्राप्त करता है और गैर-संपर्क औद्योगिक मेट्रोलॉजी के लिए एक संक्षिप्त, कम लागत वाला समाधान प्रदान करता है।
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औद्योगिक मशीनों और रोबोटिक्स की दुनिया में, किसी पुर्जे के सटीक स्थान और उसके कोण (एंगल) को जानना अक्सर सुरक्षा और सटीकता का मामला होता है। जब एक टरबाइन उच्च गति पर घूमती है या एक रोबोटिक आर्म कार के फ्रेम को वेल्ड करती है, तो दूरी में एक मामूली बदलाव या झुकाव भी विफलता का कारण बन सकता है। इन बदलावों को पकड़ने के लिए, इंजीनियर अक्सर ऐसे सेंसरों का उपयोग करते हैं जो उस वस्तु को नहीं छूते जिसे वे माप रहे होते हैं। इन गैर-संपर्क (नॉन-कॉन्टैक्ट) सेंसरों के एक लोकप्रिय प्रकार में ऑप्टिकल फाइबर के बंडलों का उपयोग किया जाता है, जो कांच के पतले धागे होते हैं जो प्रकाश ले जाते हैं। एक विशिष्ट सेटअप में, एक बंडल एक सतह की ओर प्रकाश की किरण भेजता है और फिर वापस परावर्तित होने वाले प्रकाश को पकड़ता है। यह मापकर कि लौटने वाला प्रकाश कितना उज्ज्वल है, सेंसर यह बता सकता है कि सतह कितनी दूर है। हालांकि, इस पारंपरिक विधि की एक कमी है: यह सीधी रेखा की दूरी मापने में उत्कृष्ट है लेकिन यह समझने में संघर्ष करती है कि क्या सतह झुकी हुई भी है, और यदि हां, तो किस दिशा में। किसी वस्तु की स्थिति और अभिविन्यास (ओरिएंटेशन) की पूरी तस्वीर प्राप्त करने के लिए, इंजीनियरों को आमतौर पर कई अलग-अलग सेंसरों या जटिल, महंगे उपकरणों की आवश्यकता होती है।
बास्क देश के विश्वविद्यालय (University of the Basque Country) के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक नए प्रकार का फाइबर-ऑप्टिक सेंसर विकसित किया है जो इस समस्या को एक एकल, कॉम्पैक्ट डिवाइस के साथ हल करता है। उन्होंने सात-शाखाओं वाले एक विशिष्ट पैटर्न में व्यवस्थित फाइबर का एक बंडल बनाया जो एक साथ तीन चीजें माप सकता है: लक्ष्य की दूरी, झुकाव की मात्रा, और झुकाव की दिशा। यह उपकरण एक केंद्रीय फाइबर से परावर्तक सतह, जैसे कि दर्पण, की ओर प्रकाश भेजकर और छह अलग-अलग रिसीविंग समूहों के साथ परावर्तित प्रकाश को एकत्र करके काम करता है। डिजाइन की मुख्य विशेषता यह है कि रिसीविंग फाइबर को कैसे व्यवस्थित किया गया है। चार समूह एक क्रॉस के आकार में रखे गए हैं, जो उत्तर, दक्षिण, पूर्व और पश्चिम की ओर इशारा करते हैं, जबकि अन्य दो समूह केंद्र के चारों ओर संकेंद्रित छल्लों (कन्सेंट्रिक रिंग्स) के रूप में बनते हैं। यह लेआउट न केवल यह पता लगाने की अनुमति देता है कि कितना प्रकाश वापस आता है, बल्कि यह भी कि प्रकाश का बिंदु बंडल पर ठीक कहाँ गिर रहा है। यदि लक्ष्य झुका हुआ है, तो परावर्तित प्रकाश का धब्बा एक तरफ खिसक जाता है, जिससे उस तरफ के फाइबर अधिक उज्ज्वल और विपरीत दिशा वाले फाइबर कम उज्ज्वल हो जाते हैं। इन चमक के अंतरों की तुलना करके, सेंसर झुकाव के कोण और दिशा की गणना कर सकता है।
शोधकर्ताओं ने इस सेंसर का एक भौतिक प्रोटोटाइप बनाया, जिसे वे 'हेप्टाफर्केटेड बंडल' (heptafurcated bundle) कहते हैं, जिसका अर्थ है कि इसमें सात अलग-अलग शाखाएं हैं। उन्होंने इसे एक दर्पण की ओर लक्षित करके इसका परीक्षण किया जो एक स्टेज पर लगा था जो करीब या दूर जा सकता था और विभिन्न कोणों पर झुक सकता था। सेटअप ने केंद्रीय फाइबर के माध्यम से प्रकाश भेजने के लिए एक लाल लेजर और छह रिसीविंग समूहों में लौटने वाले प्रकाश की शक्ति को मापने के लिए डिटेक्टरों के एक सेट का उपयोग किया। टीम ने पाया कि विपरीत भुजाओं के बीच और आंतरिक एवं बाहरी छल्लों के बीच प्रकाश के अनुपात का विश्लेषण करके, वे दूरी के प्रभाव को झुकाव के प्रभाव से गणितीय रूप से अलग कर सकते हैं। उन्होंने एक कंप्यूटर मॉडल विकसित किया जो भविष्यवाणी करता था कि किसी भी स्थिति और कोण के लिए प्रकाश कैसे व्यवहार करेगा, और फिर इस मॉडल का उपयोग माप को रिवर्स-इंजीनियर करने के लिए किया। जब उन्होंने सेंसर के गणना किए गए मूल्यों की तुलना दर्पण की वास्तविक ज्ञात स्थितियों के विरुद्ध की, तो परिणाम अत्यधिक सटीक थे।
अध्ययन से पता चला कि सेंसर लक्ष्य की दूरी का अनुमान औसतन केवल 1.63 प्रतिशत की त्रुटि के साथ लगा सकता है। झुकाव की मात्रा के लिए, औसत त्रुटि 2.06 प्रतिशत थी, और झुकाव की दिशा के लिए, त्रुटि एक डिग्री से भी कम थी। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि सेंसर मध्यम दूरी और कोणों पर सबसे अच्छा प्रदर्शन करता है, जबकि बहुत दूर या तीव्र कोण पर झुके होने पर इसकी सटीकता थोड़ी कम हो जाती है। इन मामूली सीमाओं के बावजूद, इस डिवाइस ने यह सिद्ध किया कि फाइबर के एक निष्क्रिय बंडल का उपयोग करके प्रकाश तीव्रता के एक एकल सेट से तीन अलग-अलग ज्यामितीय मापदंडों को प्राप्त करना संभव है। यह दृष्टिकोण बिना किसी भारी उपकरण या सेंसिंग टिप पर सक्रिय घटकों के, जटिल गतिविधियों की निगरानी करने का एक तरीका प्रदान करता है। यह कार्य सुझाव देता है कि ऐसा सेंसर मशीनरी को संरेखित करने, संरचनात्मक स्वास्थ्य की निगरानी करने, या रोबोट को निर्देशित करने जैसे औद्योगिक कार्यों के लिए एक व्यावहारिक, कम लागत वाला समाधान हो सकता है, जहाँ किसी भाग की पूर्ण त्रि-आयामी (थ्री-डायमेंशनल) स्थिति जानना आवश्यक है लेकिन वर्तमान तकनीक के साथ कठिन है।
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